超聲波測距汽車防撞系統(tǒng)解析

1、畢業(yè)設計（論文）20年 月基于51的超聲波測距汽車防撞系統(tǒng)【摘要】基于51的超聲波測距汽車防撞系統(tǒng)，介紹了超聲波測距的基本原理和系統(tǒng)框圖, 給出了超聲波發(fā)射和接收電路，通過盲區(qū)的消除，提高了測距的精確度。利用超聲波 傳輸中距離與時間的關系，采用51單片機進行控制及數(shù)據(jù)處理，設汁出了能精確測 量兩點間距離的超聲波液位檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要山超聲波發(fā)射器電路、超聲波接收器 電路、單片機控制電路、按鍵電路及顯示電路構成。利用所設計出的超聲波測距汽車 防撞系統(tǒng)，對行駛中的車距進行了測試，釆集當時兩車距離過近系統(tǒng)會發(fā)出聲光警報 提示司機作出相應反應動作。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測量精度高的優(yōu)點，可 實時

2、車距檢測。【關鍵詞】超聲波、MCU、LED、測距、傳感器51 car collision avoidanee system based onAbstract Ultrasonic ranging car anti-collision system based on 51, introduces the principle and system frame of ultrasonic distanee measurement, the ultrasonic transmitter and receiver circuit, the blind area elimination, to impro

3、ve the measurementaccuracy. The relation between ultrasonic transmission distance and time, using 51 single-chip microcomputer control and data processing, design the ultrasonic liquid level detection system for accurate measurement of distanee between two points The system is mainly composed of the

4、 ultrasonic transmitter circuit,ultrasonic receiver circuit, single-chip microcomputer control circuit, keyboard circuit and display circuit. The use of ultrasonic ranging automotive anti-collision system are designed, the running distanee between vehicles were tested, two carcollection was too clos

5、e to the system will send out sound and light alarm to warn the driver response action. This system has the advantages of easy control,reliable operation, high measuring precision, real-time vehicle distance detecting.Key Words Ultrasonic, MCU, LED, location, sensor1緒論51研究的背景51.2研究的主要內容61.3應解決的關鍵問題6

6、2電路方案論證72方案比較72.1.1激光測距72.1.2超聲波測距72.2 電路總體方案73單片機概述93.1 STC89C51 主要性能93.2 STC89C51外部結構及特性93.3 STC89C51 內部組成114超聲波測距模塊124.1超聲波傳感器介紹124.2 HC-SR04超聲波測距模塊的性能特點134.3 HC-SR04的管腳排列和電氣參數(shù)144.3.1管腳簡介144.3.2 HC-SR04的電氣參數(shù)144.4超聲波時序圖155系統(tǒng)硬件電路設計165單片機最小系統(tǒng)165.1.1 STC89C51 芯片165.1.2復位電路165.1.3晶振電路175.2驅動顯示電路及報警電路1

7、85.2.1 LED數(shù)碼管顯示電路185.2.2蜂鳴器和LED報警185.3 HC-RS04超聲波測距原理195.4按鍵設置電路206系統(tǒng)程序的設計226主程序226.2顯示數(shù)據(jù)子程序226.3報警子程序236.4 按鍵子程序23結論25參考文獻26附錄（A） 27附錄（B） 錯誤!未定義書簽。致謝28281.1研究的背景汽車業(yè)與電子業(yè)是世界工業(yè)的兩大金字塔，隨著汽車工業(yè)與電子工業(yè)的不斷發(fā) 展，在現(xiàn)代汽車上，電子技術的應用越來越來廣泛，汽車電子化的程度越來越高。汽 車電子技術是汽車技術與電子技術想結合的產物。汽車上的電器與電子控制系統(tǒng)在汽 車技術進入機電一體化階段的今天，地位極為重要，正在汽車

8、技術領域發(fā)展成為一門 獨立的分支學科，其性能的優(yōu)劣直接影響到汽車的動力性、經濟性、可靠性、安全性、 排放干凈、及舒適性等。電子控制技術在汽車上，首先應用于發(fā)動機燃油消耗控制與 排放進化與排放控制，接著被應用于底盤部分的控制，以提高行駛的穩(wěn)定性、安全性、 與舒適性等。隨著交通運輸向高密度發(fā)展，電子控制技術乂進一步應用于汽車的乘坐 安全性和導航等方面。電子技術在汽車安全控制系統(tǒng)的應用主要是為了增強汽車的安全、舒適和方便。 應用的電子技術主要有：電子控制安全氣糞，智能記錄儀，靂達式距離報警器，中央 控制門鎖，自動空調，自動車窗、車門、座椅、刮水器，車燈控制，電源控制以及充 電器等。近年來汽車的自動調

9、速系統(tǒng)，主動式汽車防撞系統(tǒng)，汽車監(jiān)測和自診斷系統(tǒng) 以及汽車導航系統(tǒng)也得到了廣泛的應用。在過去2030年中，人們主要把精力集中于汽車的被動安全性方面，例如，在汽 車的前部或后部安裝保險杠、在汽車外殼四周安裝某種彈性材料、在車內相關部位安 裝各種形式的安全帶及安全氣囊等等，以減輕汽車碰撞帶來的危害。安裝防撞保險杠 固然能在某種程度上減輕碰撞給本車造成損壞，卻無法消除對被撞物體的傷害；此外, 車上安裝的安全氣囊系統(tǒng)，在發(fā)生車禍時不一定能有效地保護車內乘務員的安全。所 有這些被動安全措施都不能從根本上解決汽車在行駛中發(fā)生碰撞造成的問題。如果從 預防撞車事故的發(fā)生的角度著眼，在提高汽車主動安全性方面下功

10、夫，則可在汽車安 全性領域有較大的突破。汽車發(fā)生碰撞的主要原因是III于汽車距其前方物體（如汽車、行人或其他障礙物） 的距離與汽車本身的車速不相稱造成的，即距離近而相對速度乂太高。為了防止汽車 與前方物體發(fā)生碰撞，汽車的車速就要根據(jù)與前方物體的距離變化山執(zhí)行機構進行控 制，使汽車始終在安全車速下行駛。這樣就會大大提高汽車行駛的安全性，減少車禍 的發(fā)生。發(fā)展汽車防撞技術，對提高汽車智能化水平有重要意義。據(jù)統(tǒng)計，危險境況時， 如果能給駕駛員半秒鐘的預處理時間，則可分別減少追尾事故的30%,路面相關事故 的50%,迎面撞車事故的60%; 1秒鐘的預警時間可防止90%的追尾碰撞和60%的迎頭 碰撞。汽

11、車要避撞就必須憑借一定的裝備測量前方障礙物的距離，并迅速反饋給汽車， 以在危急的情況下，通過報警或自動進行某項預設定操作如緊急制動等，來避免山于 駕駛員疲勞、疏忽、錯誤判斷所造成的交通事故。LI前，大家都將防撞技術的關鍵點 著眼于車輛測距技術。1.2研究的主要內容課題基于51的超聲波測距汽車防撞系統(tǒng)由51單片機最小系統(tǒng)、超聲波測距 模塊、驅動顯示電路、報警電路和按鍵電路等組成。利用超聲波測距模塊HC-SR04 測量距離，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，傳給51單片機，再通過LED數(shù)碼管顯示出來， 可以通過按鍵調整報警距離，同時電源部分采用5V穩(wěn)壓直流電源。1.3應解決的關鍵問題1、對主要硬件電路設計、制

12、作實物時擬解決的關鍵問題是：聲音的發(fā)射和接受 時間的計算。2、超聲波測距采用軟件編程實現(xiàn)。3、超聲波測距的死區(qū)解決。4、按鍵對報警值的設置。2電路方案論證2.1方案比較2.1.1激光測距激光測距一般采用兩種方式來測量距離：脈沖法和相位法。脈沖法測距的過程： 測距儀發(fā)射出的激光經被測量物體的反射后乂被測距儀接收，測距儀同時記錄激光往 返的時間，光速和往返時間的乘積的一半，就是測距儀和被測量物體之間的距離。相 位法測距的過程：用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調制并測定調制光往返測 線一次所產生的相位延遲，再根據(jù)調制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離，即 用間接方法測定出光經過往返測線所需的時

13、間。2.1.2超聲波測距汽車防撞系統(tǒng)的基本超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已 知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出 發(fā)射電到障礙物的實際距離，可見這與雷達測距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向 發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始訃時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就 立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設計也比較簡 單，故采用了方案二。2.2電路總體方案圖2.1是電路總體框圖，包括51單片機最小系統(tǒng)，HC-SR04超聲波測距模塊， LED數(shù)碼管顯示電路，蜂鳴器報警電路和

14、按鍵電路。圖2.1電路基本框圖3單片機概述3STC89C51主要性能STC89C51是STC公司推出的一款超強抗干擾，加密性強，在線可編程，高速， 低功耗CMOS 8位單片機。片內含4k bytes的可反復擦寫Flash只讀程序存儲器和 256 bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器（RAM）,器件采用STC公司的高密度、非易失性存儲技 術生產，與標準MCS-51指令系統(tǒng)及8052產品引腳兼容，片內置通用8位中央處理 器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的STC89C51單片機適合于許多較為復雜控 制應用場合。3.2 STC89C51外部結構及特性其外形封裝有兩種方式：雙列直插式40腳封裝（DIP）

15、和方形44腳封裝（PLCC）, 直插式40腳封裝（DIP）和外部總線結構如圖2和圖3所示：匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚Oi丿401 VCC591 f-O.O(ADO)33R二P0.KADI )437二(M.2(ADJ)S361 1-0 J(AD3)63SP04AD4)754二K>(ADS)S33ZZ) IX).6<AD6)q321 M.7(AD7)1031= EA/VppH30 ALE/PRCXi12的1 P&RN132K二P2.?(ADIS)1427二P2.6(ADI4)1526二P2.5 (ADI 3)1625 P2.4(ADI2)17241 P2.3(Ar

16、>l 1)1823二|22(ALM0)1922二P2.!(AD)21二P2.O(ADft)OPIPl/o(CBPl.0P2.7Pl.lP26Pl.2Pl .3PI .4Pl .5Pl.6Pl.7P3.0P3.1P3 2 A1K9S52P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7ISEN云ALERESET(RST)vcc1*2.5 P2.4 P2 3I>2.21 o E 7 6 5 4 37 O 怛匚仏皿g m g ggg g1>7比1>51)41>3|>21>100地址總越AB)(敷堀s域DR>1 (圖3.1 STC89C51引腳排列圖3.2外部總線

17、STC89C51的4個8位I/O 口的功能說明如下：（1） P0 口： P0 口是一個8位漏極開路的雙向I/O 口。作為輸出口，每位能驅 動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程 序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0 口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有 內部上拉電阻。在flash編程時，P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出 指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。（2）P1 口： P1 口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O 口，pl輸出緩沖器 能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時 可以作為輸入口使用

18、。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳山于內部電阻的原因，將 輸出電流（IIL）o此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（Pl. 1/T2EX）。在flash編程和校驗時, P1 口接收低8位地址字節(jié)。（3）P2 口： P2 口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2輸出緩沖器能 驅動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時 可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將 輸出電流（IIL）o在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如 執(zhí)行MOVX

19、©DPTR）時，P2 口送出高八位地址。在這種應用中，P2 口使用很強的內部 上拉發(fā)送lo在使用8位地址（如MOVXRI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2 口輸出P2 鎖存器的內容。在flash編程和校驗時，P2 口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制 信號。（4）P3 口： P3 口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O 口，p2輸出緩沖器能 驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以 作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳山于內部電阻的原因，將輸出 電流（IIL）o在flash編程和校驗時，P3 口也接收一些控制信號。P3 口亦作為 AT89C5

20、2特殊功能（第二功能）使用,如下所示：P3. 0 RXD（$ 行輸入口）P3. 1 TXD（串行輸出口）P3.2 IXT0（外部中斷0輸入口）P3. 3 IXT1（外部中斷1輸入口）P3.4 TO（定時器0外部輸入）P3.5 TI （定時器1外部輸入）P3.6 WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號）3.3 STC89C51內部組成STC89C51單片機在一塊芯片中集成了 CPU、RAM、ROM.定時器/計數(shù)器、看門狗 和多種功能的I/O 口設備的等，相當于一臺計算機所需要的基本功能部件。STC89C51單片機內包含的具體部分如下：一個8位CPUo一個片內振蕩器及

21、時鐘電路。4KB Flash程序存儲器。128 B RAM數(shù)據(jù)存儲器。三個16位定時器/計數(shù)器?？蓪ぶ?4KB的外部數(shù)據(jù)存儲器和64KB的外部程序存儲器空間的控制電路。32條可編程的I/O線（4組8位并行I/O端口）。一個可編程全雙工串口通信。8個中斷源、兩個優(yōu)先級嵌套中斷結構。STC89C52單片機的框圖如圖3. 3所示，各功能部件山內部總線連接在一起。頻率基 準源計數(shù)器圖3.3STC89C51單片機框圖4超聲波測距模塊4.1超聲波傳感器介紹超聲波是一種頻率比較高的聲音，山于其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較 遠等優(yōu)點，而經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實 現(xiàn)。

22、超聲波測距主要應用于倒車靂達、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如液位、 井深、管道長度等場合。超聲波測距的利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡 單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在測控系 統(tǒng)的研制上得到了廣泛應用。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉變 為同頻率的其他形式的能的器件。H前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體 動力型。電聲型主要有：1壓電傳感器；2磁致伸縮傳感器；3靜電傳感器。流體動 力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。山于工作頻率與應用LI的不同，超聲傳感 器的結構形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在

23、超聲檢測和診斷中習慣上都 把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”。壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭山壓電晶片、楔塊、接頭等組 成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉換的一種傳感器件，是超聲波檢測 裝置的重要組成部分。圧電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，規(guī)酸 鋰等，屬于壓電陶瓷的有錯鈦酸鉛，鈦酸鈔!等。其具有下列的特性：把這種材料置于 電場之中，它就產生一定的應變；相反，對這種材料施以外力，則由于產生了應變就 會在其內部產生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產生 交變的應變，從而產生超聲振動。因此，用這種材料可

24、以制成超聲傳感器。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產生振動， 即可發(fā)射聲脈沖，是逆圧電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變 可轉換成相應的電信號，是正壓電效應。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的 接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料 較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不 斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應，就會使壓電陶瓷晶片產生機械變形，這種機械 變形的大小和方向在一定范圍內是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在 壓電陶瓷晶片上加有頻率為fO交流電壓，它就會產生同頻率

25、的機械振動，這種機械 振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用， 這將會使其產生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶 瓷晶片產生頻率與超聲機械波相同的電信號。圖4壓電式超聲波傳感器結構圖壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用圧電晶體的諧振來丄作的，超聲波發(fā)生器內部 結構如圖2.1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板，當它的兩極外加脈沖信號，其 頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動， 便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫 壓電晶片作振動，將機械能轉化為電信號，這時它就成為超聲波

26、傳感器。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率fO。發(fā)射超聲波時，加在其 上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈 敏度。當所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的兒何尺寸，就可非常方便的改變 其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。超聲波傳感器的內部結構山壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼 及金屬網構成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超 聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片 及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網也是起保護作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。4.2 HC-S

27、R04超聲波測距模塊的性能特點HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精 度可高達3mm,模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其基本工作原理：（1）采用IO 口 TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號；（2）模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；（3）有信號返回，通過IO 口 ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超 聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離二（高電平時間*聲速/340M/S） /2；（4）當TRIG從0->1時，主控制板啟動，當超時10ms時ECHO仍然沒有出現(xiàn) 150us的0信號，表示沒有障礙。本模塊

28、性能穩(wěn)定，測度距離精確，其主要特點：（1）超微型，只相當于兩個發(fā)射，接收頭的面積已經沒法再小了；（2）無盲區(qū)（10mm內成三角形誤差較大，簡單可以當做0處理）；（3）反應速度快，10ms的測量周期，不容易丟失高速目標；（4）發(fā)射頭，接收頭緊靠，和被測目標基本成直線關系；（5）模塊上有LED指示，方便觀察和測試。4.3 HC-SR04的管腳排列和電氣參數(shù)4.3.1管腳簡介HC-SR04的外形及管腳排列如圖4.2所示。（1）VCC為5V電源;（2）GND為地線；（3）TRIG觸發(fā)控制信號輸入;（4）ECHO回響信號輸出。HC-SR04圖4.2外形及管腳排列圖4.3.2 HC-SR04的電氣參數(shù)電氣

29、參數(shù)如表4所示：表4.1電氣參數(shù)表電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC 5V工作電流15mA工作頻率40Hz最遠射程4m最近射程2cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸出回響信號輸岀TTL電平信號，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20* 15mm4.4超聲波時序圖10uS 的 TTL觸發(fā)信號循環(huán)發(fā)出8個4OKHZ脈沖模塊內部 發(fā)岀信號楡岀回響信號回響電平輔出與檢測距離成比例圖4.3超聲波時序圖此時序圖表明只需提供一個lOus 上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內部將發(fā)出8個 40kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到右回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿} 沖寬度與所測的距離成正比。山此通過發(fā)

30、射信號到收到的回響信號時間間隔可以訃算 得到距離。公式：uS/58二厘米或者uS/148=英寸；或是：距離二高電平時間*聲速 (340M/S) /2；建議測量周期為60ms上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響。5系統(tǒng)硬件電路設計5.1單片機最小系統(tǒng)5.1.1 STC89C51 芯片本次設計我們所采用的是STC89C51單片機，是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦 除只讀存儲器的低電壓、高性能COMOS8的微處理器，該器件有40引腳，速度較快, 價格便宜，燒錄方便，通過串口即可下載，還可以實現(xiàn)在線編程，采用ATMEL高密 度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。5.1

31、.2復位電路為確保微機系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復位電路是必不可少的一部分，復位電路 的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為 可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經一定的延遲才撤銷復位，以防電源開關或電源插頭分- 合過程中引起的抖動而影響復位。當單片機的復位引腳出現(xiàn)2個機器周期以上的高電 平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀 態(tài)。所以復位引腳的電容大一點沒多大關系，頂多是復位時間長一點；但如果電容太 小，高電平持續(xù)時間太短，則單片機無法正常復位，就不能工作，電容通常取10UF 或22UF,鋁電解電容即可。單片機的復位電路在剛接通電時，

32、剛開始電容是沒有電的，電容內的電阻很低， 通電后，5V的電源通過電阻給電解電容進行充電，電容兩端的電會由0V慢慢的升 到4V左右（此時間很短一般小于0.3秒），正因為這樣，復位腳山低電位升到高電位, 引起了內部電路的復位工作；當按下復位鍵時，電容兩端放電，電容乂回到0V 了， 于是又進行了一次復位工作。電路圖如圖5.1。圖5.1復位電路5.1.3晶振電路它是單片機系統(tǒng)正常工作的保證，如果振蕩器不起振，系統(tǒng)將會不能工作。假如 振蕩器運行不規(guī)律，系統(tǒng)執(zhí)行程序的時候就會出現(xiàn)時間上的誤差，這在通信中會體現(xiàn) 的很明顯：電路將無法通信。它是III一個晶振和兩個瓷片電容組成的，晶振和瓷片電 容是沒有正負的，

33、兩個瓷片電容相連的那端一定要接地，如圖5. 2所示。Y1411r1112MHZ30pC230pGND圖5.2晶振電路一般單片機的晶振工作于并聯(lián)諧振狀態(tài)，也可以理解為諧振電容的一部分。它是 根據(jù)晶振廠家提供的晶振要求負載電容選值的，換句話說，晶振的頻率就是在它提供 的負載電容下測得的，能最大限度的保證頻率值的誤差，也能保證溫漂等誤差。機器周期：通常從內存中讀取一個指令字的最短時間來規(guī)定CPU周期，(也就 是汁算機通過內部或外部總線進行一次信息傳輸從而完成一個或兒個微操作所 需要的時間)，它一般由12個時鐘周期組成。而時鐘周期二1秒/晶振頻率，因此 單片機的機器周期二12秒/晶振頻率，補充其他兒個

34、周期：指令周期(Instruction Cycle):取出并執(zhí)行一條指令的時間?？偩€周期(BUS Cycle):也就是一個訪存儲器或I/O端口操作所用的時間。時鐘周期(Clock Cycle) : 乂稱節(jié)拍周期，是處理操作的最基本單位。(晶 振頻率的倒數(shù)，也稱T狀態(tài))指令周期、總線周期和時鐘周期之間的關系：一個指令周期由若干個總線 周期組成，而一個總線周期時間又包含有若干個時鐘周期。一般處理器的一個機器周期由12個時鐘周期所組成。所以單片機用12M晶振， 運行速度為1MC負載電容=(Cd<g)/(Cd+Cg) +Cic+Ad6>,跟晶振特性、單片機內部時鐘電路等 效電容有關。兩個電

35、容的取值都是相同的，或者說相差不大，如果相差太大，容易造成諧振的 不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。其起到一個并聯(lián)協(xié)振的作用，這樣可以讓它 的脈沖更平穩(wěn)與協(xié)調。5.2驅動顯示電路及報警電路顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示，當超過已設定的距離時，蜂鳴器和LED可實現(xiàn) 報警功能并可通過按鍵實現(xiàn)有限距離的調整。5.2.1 LED數(shù)碼管顯示電路本電路的顯示模塊主要山一個4位一體的7段LED數(shù)碼管構成，用于顯示測量到 的電壓值。它是一個共陽極的數(shù)碼管，每一位數(shù)碼管的a, b, c, d, e, f, g和dp端都各 自連接在一起，用于接收單片機的Pl 口產生的顯示段碼。SI, S2, S3, S4引腳端為

36、 其位選端，用于接收單片機的P2 口產生的位選碼。本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描方式。掃描 方式是用其接口電路把所有數(shù)碼管的8個比劃段ag和dp同名端連在一起，而每一 個數(shù)碼管的公共極COM各自獨立地受I/O線控制。CUP從字段輸出口送出字型碼時， 所有數(shù)碼管接收到相同的字型碼，但究竟是哪個數(shù)碼管亮，則取決于COM端。COM端 與單片機的I/O接口相連接，山單片機輸出位位選碼到I/O接口，控制何時哪一位數(shù) 碼管被點亮。在輪流點亮數(shù)碼管的位掃描過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間極為短暫。 但山于人的視覺暫留現(xiàn)象，給人的印象就是一組穩(wěn)定顯示的數(shù)碼。動態(tài)方式的優(yōu)點是 十分明顯的，即耗電省，在動態(tài)掃描過程中，任何時刻只

37、有一個數(shù)碼管是處于工作狀 態(tài)的。具體原理圖如圖5. 32202901圖5.3賽電路5.2.2蜂鳴器和LED報警蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，釆用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中 作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。壓電式蜂鳴器 主要山多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器山 晶體管或集成電路構成，當接通電源后（1.5"15V直流工作電壓），多諧振蕩器起振, 唇促1 .外2. 3kHz的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。電磁式蜂鳴器山振 蕩器、電磁

38、線圈、磁鐵、振動膜片及外殼組成。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號 電流通過電磁線圈，是電磁線圈產生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下, 周期性地振動發(fā)聲。本設計采用電磁式蜂鳴器，當距離超出預設值時，蜂鳴器就會發(fā) 出報警生硬。電磁式蜂鳴器的發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，是電磁線圈產生磁場來驅動振動 膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅動它，單片機10引腳輸出的電流較小，單片 機輸出的TTL電平基本上驅動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路，即通 過一個PNP型三極管8550來放大驅動蜂鳴器。原理圖見圖5. 3。而LED電路是由一個發(fā)光二極管和電阻組成，因為LED 一般工作在5ma到20

39、ma, 所以選擇1K電阻進行限流。如圖5. 4所示。LS1D+5TSPEAKER9012V GND圖5.4蜂鳴器驅動電路5.3 HC-RS04超聲波測距原理超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現(xiàn)的，設超聲波脈沖山傳感器 發(fā)出到接收所經歷的時間為t,超聲波在空氣中的傳播速度為c,則從傳感器到U標 物體的距離D可用下式求出：D=ct/2o其系統(tǒng)框圖如圖5.5所示。圖5.5系統(tǒng)框圖基本原理：經發(fā)射器發(fā)射出長約6mm,頻率為40khz的超聲波信號。此信號被 物體反射回來山接收頭接收，接收頭實質上是一種壓電效應的換能器。它接收到信號 后產生mV級的微弱電壓信號。5.4按鍵設置電路單片機鍵盤有獨立

40、鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨立鍵盤每一個I/O 口上只接一個按 鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較簡單且系統(tǒng)更加穩(wěn) 定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復雜，但是占用的I/O少。根據(jù)本設計的需要這里 選用了獨立式鍵盤接法。獨立式鍵盤的實現(xiàn)方法是利用單片機I/O 口讀取口的電平高 低來判斷是否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一個I/O 口，程序開始時 將此I/O 口置于高電平，平時無鍵按下時I/O 口保護高電平。當有鍵按下時，此I/O 口與地短路迫使I/O 口為低電平。按鍵釋放后，單片機內部的上拉電阻使I/O 口仍然 保持高電平。我們所要做的就是在程序中查尋此I/O 口的電

41、平狀態(tài)就可以了解我們是 否有按鍵動作了。在用單片機對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程，那就是鍵 盤的去抖動。這里說的抖動是機械的抖動，是當鍵盤在未按到按下的臨界區(qū)產生的電 平不穩(wěn)定正?，F(xiàn)象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖動一般10200 毫秒之間，這種不穩(wěn)定電平的抖動時間對于人來說太快了，而對于時鐘是微秒的單片 機而言則是慢長的。碩件去抖動就是用部分電路對抖動部分加之處理，軟件去抖動不 是去掉抖動，而是避抖動部分的時間，等鍵盤穩(wěn)定了再對其處理。所以這里選擇了軟 件去抖動，實現(xiàn)法是先査尋按鍵當有低電平出現(xiàn)時立即延時10200毫秒以避開抖動 （經典值為20毫秒），延時結束后再讀一

42、次I/O 口的值，這一次的值如果為1表示低 電平的時間不到10200毫秒，視為干擾信號。當讀出的值是0時則表示有按鍵按下, 調用相應的處理程序。硬件電路如圖5. 6所示：GND圖36按鍵電路圖6系統(tǒng)程序的設計系統(tǒng)程序主要包括主程序、顯示數(shù)據(jù)子程序、報警子程序和按鍵子程序等。6.1主程序主程序的主要功能是負責距離的顯示、讀出并處理HC-RS04的測量距離值，按 鍵控制有效距離限制，當測量的值超過預設值時，蜂鳴器發(fā)聲報警。主程序流程圖如圖6.1所示。6.2顯示數(shù)據(jù)子程序顯示數(shù)據(jù)子程序的主要功能就是把超聲波模塊測量后的結果經單片機處理完畢 的距離顯示在數(shù)碼管上。顯示數(shù)據(jù)子程序流程圖如圖6.2所示。開始r賦型和位/結朿圖6.2顯示數(shù)據(jù)子流程圖6.3報警子程序報警子程序的主要功能是在距離值超過預警值時，能夠使蜂鳴器發(fā)聲從而達到報 警的目的。報警子程序流程圖如圖6.3所示。圖6.3報警子流程圖6.4按鍵子程序按鍵子程序的主要功能是有效距離可調，功能鍵調整上限，再次功能鍵調整下限, 再次按功能退出。按鍵子程序流程圖如圖6.4所示。圖6.4按鍵子流程圖本論文中雖然對安全距離模型進行了改